Université lumière-lyon II

Conclusion

Nous avons élaboré, à partir des travaux didactiques sur les gaz, un questionnaire mettant en jeu autant que possible des situations de la vie quotidienne. Nous avons passé ce questionnaire à des élèves de trois classes de seconde appartenant à deux lycées de Lyon. En tout, 95 élèves ont été interrogés avant l'enseignement sur les gaz et 86 après. Notre analyse montre, qu'après l'enseignement, environ 70 % des élèves utilisent les molécules pour représenter les gaz. Cependant, on trouve que seulement 20 % d'élèves, les utilisent dans leurs explications. Concernant la répartition des gaz dans une enceinte, avant l'enseignement, on trouve qu'environ 30 % des élèves dessinent les gaz avec une répartition non homogène. De plus, nos résultats montrent que cette répartition semble dépendre de l'endroit où agit le gaz. À l'issue de l'enseignement, 70 % des élèves représentent le gaz réparti partout et seulement 15 % continuent à le dessiner plus à un endroit. Concernant l'action des gaz, avant l'enseignement, seulement 27 % des élèves considèrent que le gaz agit sur toutes les parois d'une pompe à vélo. Ce résultat passe à 70 % après l'enseignement. Toujours après l'enseignement, on trouve que l'action du gaz est décrite majoritairement par le fait qu'il pousse sur les parois pour les situations "ballon de foot" et "pompe avec action", alors que dans la situation "pompe sans action", la plupart des élèves décrivent l'action du gaz à partir de la pression. De plus, il apparaît qu'avant l'enseignement les élèves expliquent les phénomènes de dilatation par le fait que l'air chaud monte (32 %) ou que du gaz apparaît (28 %) dans la situation du ballon de baudruche et par l'air se dilate (12 %) pour la situation des balles de ping-pong cabossées. Après l'enseignement, on trouve que la majorité des explications fournies utilisent le fait que l'air se dilate, mais cela ne représente pas plus de 30 % du total des explications. Concernant le caractère pesant des gaz, malgré une augmentation du nombre d'explications utilisant le fait que le gaz pèse à la suite de l'enseignement, seulement 35 % des élèves l'utilisent pour la situation du ballon de foot et 50 % pour le verre de coca.

Comme le montre les tableaux de résultats des trois classes (voir l'annexe de l'analyse globale), les réponses des élèves de la classe de 2^nde 8 sont proches (de 10 % à 20 % suivant les questions) de celles des deux autres classes. Dans le chapitre suivant nous proposons de suivre finement l'évolution de deux élèves de 2^nde 8.

Chapitre 6. Analyse des idées de deux élèves avant et après l'enseignement

Introduction

Ce chapitre se propose d'étudier l'évolution des idées de deux élèves (Anne et Ellen) de la classe de 2^nde 8, avant et après la séquence d'enseignement. Ces deux élèves ont été sélectionnées, parmi les quatre groupes que nous avons filmés, pour leur forte participation durant la séquence d'enseignement et leur niveau moyen (selon l'enseignante), qui les rend représentative d'une partie des élèves de la classe. Pour mener à bien cette étude, nous reconstruisons les idées des élèves à partir de leurs productions (orales, écrites…) en faisant une analyse indépendante du questionnaire et de l'entretien. Au cours de cette reconstruction, nous évaluons la stabilité des idées à travers les situations pour chacune des données. Par la suite, nous comparons les idées issues des différentes données en prenant en compte : (a) l'intervalle de temps entre le recueil des données et (b) les conditions de passages entre le questionnaire (écrit) et l'entretien (oral). Notre analyse se déroule se déroule en trois étapes (figure 6.1).

Figure 6.1 : Comparaisons des idées reconstruites à partir des différentes données.

La première étape consiste à comparer les idées reconstruites à partir des données recueillies avant l'enseignement. La seconde étape consiste à comparer les idées à partir des données recueillies après l'enseignement. Cette comparaison teste la stabilité des idées sur un temps long (5 mois), ainsi que sur des données différentes. La troisième étape consiste à comparer les idées reconstruites à partir des données avant l'enseignement avec celles issues des données après. Le but de cette dernière comparaison est d'étudier l'évolution des idées à la suite de l'enseignement.

Notons que dans la suite de ce travail, par convention, les productions d'élèves sont mises entre guillemets et sont écrites en italique sans aucune correction de l'orthographe. Les idées sont notées en italique et les situations qui composent le domaine d'application entre parenthèses.

1. Analyse d'Anne

Dans cette partie nous reprenons les trois étapes citées ci-dessus (voir figure 6.1) en reconstruisant les idées d'Anne avant l'enseignement, puis après l'enseignement, pour ensuite les comparer entre-elles.

1.1 Quelles sont les idées d'Anne avant l'enseignement sur les gaz ?

Cette partie propose de présenter la reconstruction des idées à partir du questionnaire, puis de l'entretien, pour ensuite comparer la stabilité des idées d'Anne à travers ces deux types de données.

1.1.1. Questionnaire avant

Dans le but de situer Anne par rapport au reste de sa classe, nous allons comparer au fur et à mesure de notre analyse, ses réponses avec celles des autres élèves. Cette comparaison est disponible dans l'annexe de l'analyse fine avant/après. Durant cette analyse, nous utilisons les abréviations des situations du questionnaire (voir l'annexe de l'analyse globale). Ceci nous permet de signaler qu'Anne n'a pas répondu aux questions (5.1) "quatre ballons E" et (7.1) "verre coca", qui concernent la déformation de ballons de baudruche remplis de gaz différents et la masse des bulles contenues dans un verre de coca.

Nous présentons les idées d'Anne en fonction des catégories définies à partir d'une analyse des connaissances préalables des élèves (voir chapitre 4). Nous commençons par la catégorie "sens des mots", qui s'intéresse au vocabulaire utilisés par les élèves pour décrire les gaz.

1.1.1.1. Sens des mots

Cette catégorie s'intéresse aux sens qu'Anne donne aux mots gaz et pression. Comme nous l'avons déjà signalé dans l'analyse lexicologique (chapitre 4), en physique, le mot gaz est un hyperonyme du mot air, c'est-à-dire qu'il est plus général (l'air est un gaz particulier)et il peut être utilisé à la place du mot air. Cependant, cette utilisation ne fonctionne pas dans le quotidien. En effet, les phrases : "je respire de l'air" et "je respire du gaz" ont une signification très différente dans le quotidien. Nous avons cherché à connaître, si le mot gaz était employé avec une signification proche du mot air, dans les réponses d'Anne au questionnaire. Il semble que ce soit le cas, dans la question 2.2 "ballon de foot (masse)" : "le ballon sera moins dur car l'air, le gaz (une partie) sera enlevé. Le poids du ballon diminue donc il deviendra + léger" (par convention les réponses des élèves sont mises entre guillemets et écrites en italique, sans corriger l'orthographe). Dans les questions "ping-pong 1&2", mettant en jeu deux balles de ping-pong cabossées (l'une avec un trou et l'autre sans) que l'on jette dans de l'eau très chaude, Anne donne les réponses suivantes : la balle sans trou "reste cabossée, car elle n'a pas de trou dc l'air ne rentrera pas", alors que la balle trouée "retrouve sa forme normale car le gaz va rentrer dans la balle". Bien qu'ici ce soit moins flagrant, les mots air et gaz sont utilisés pour désigner la même chose. À partir des unités de sens mises en gras (voir cadre théorique sur la reconstruction des idées), nous reconstruisons l'idée que le mot gaz est employé avec le même sens que le mot air. Cette idée est notée gaz = air (ballon foot (masse), ping-pong 1 & 2), ce qui est entre parenthèses correspond à l'abréviation des situations qui constituent le domaine d'application de cette idée. Anne attribue les mêmes propriétés à l'air et au gaz, en effet : "L'air est composé de divers molécules", "l'air est invisible", "l'air est présent dans tout notre entourage" et "le gaz est composé de plusieurs molécules" et "le gaz est présent tout le temps, il est invisible". De plus, elle représente de la même façon les différents gaz (air, hélium, gaz de ville, hydrogène) contenus dans les ballons de baudruche. Cependant, pour elle, seuls les gaz ont la possibilité d'apparaître dans une enceinte fermée que l'on chauffe (nous détaillerons cette particularité dans la partie action du gaz).

Anne utilise le mot pression dans plusieurs de ses explications avec un sens assez différent de celui qu'on lui donne en physique. En effet, ce mot ne décrit pas une grandeur mesurable servant à décrire certains aspects de l'état d'un gaz, mais plutôt l'action de pousser. Elle écrit notamment : "l'air va exercer une pression plus forte sur la paroi B", "car l'air est poussé par la paroi B mais la paroi D elle reçoit cette pression", "si on lâche le piston, il va être poussé a l'extérieur car la pression de l'air va le faire reculer". À partir des unités de sens mis (en gras), nous reconstruisons l'idée que le mot pression est utilisé avec la signification de pousser, ce que nous notons pression = action de pousser (pompe sans action, pompe avec action, pompe pousse/lâche).

1.1.1.2. Aspect particulaire

Les deux premières questions du questionnaire demandent de faire quatre phrases avec le mot air puis avec le mot gaz. Dans ces questions, Anne écrit entre autres que "l'air est composé de divers molécules" et que "le gaz est composé de plusieurs molécules". De plus, elle représente l'air et les gaz, par des traits discontinus dans trois des quatre questions demandant de faire des dessins (figure 6.2).

Figure 6.2 : Dessins d'Anne représentant le gaz par des traits discontinus

À partir des dessins d'Anne présentées dans la figure 6.2 et des phrases précisant que "l'air est composé de divers molécules" et que "le gaz est composé de plusieurs molécules", nous reconstruisons l'idée le gaz est composé de molécules, son domaine d'application correspond donc aux situations du ballon de foot, de la pompe à vélo sans action sur le piston, de la pompe à vélo lorsque l'on pousse sur le piston et des quatre ballons de baudruche remplis de gaz différents. Cette idée et son domaine d'application sont notés : le gaz est composé de molécules (ballon foot S, pompe sans action S, pompe avec action S, 4 ballons S) le S signifie que la question demande de répondre sur un Schèma. Dans la classe de 2^nde 8, le nombre d'élèves avant l'enseignement qui représentent le gaz par des traits continus est faible : 33 % pour la situation du ballon de foot, 26 % pour la pompe à vélo et seulement 13 % pour les gaz contenus dans les quatre ballons. Bien qu'Anne fasse partie de la minorité des élèves à utiliser les molécules pour représenter les gaz, elle ne les utilise pas pour autant dans ses explications. Nous pensons qu'elle n'associe pas encore de mécanisme particulier aux molécules (comme les chocs, la vitesse...). En résumé, Anne fait partie des rares élèves de sa classe pour qui le gaz est composé de molécules, cependant elle ne les fait pas intervenir dans ses explications.

1.1.1.3. Présence des gaz

Anne utilise l'idée le gaz est présent partout dans un grand nombre de situations, elle écrit entre autres : "l'air est présent dans tout notre entourage"(mot air), "le gaz est présent tout le temps"(mot gaz)... Cette idée avec son domaine d'application est notée gaz est présent partout (mot air, mot gaz, ballon foot S, chauffe ballon S, pompe S, quatre ballons S), le S signifie une question demandant de répondre sur un Schéma.

Pour Anne, le gaz a la propriété d'apparaître dans les enceintes fermées, elle écrit "le gaz peut se former dans plusieurs endroits: (expérience, ...)". De plus, dans la situation utilisant un ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer que l'on chauffe, Anne explique que "quand on chauffe la bouteille, il y a formation de gaz [...]". À partir des unités de sens (en gras), nous reconstruisons la relation causale entre l'idée que l'on chauffe et l'idée qu'il y a formation de gaz. Ce réseau d'idées est noté  : chauffe  apparition gaz (chauffe ballon). Le  indique une relation causale entre deux idées, ici le fait qu'on chauffe est la "cause" et l'apparition de gaz est "l'effet".

1.1.1.4. Répartition des gaz

Parmi les quatre phrases écrites par Anne, à propos de l'air, on trouve que "l'air est présent dans tout notre entourage". De plus, comme le montrent les figures 6.2 (ci-dessus) et 6.3 (ci-dessous), les gaz se répartissent de manière homogène, sauf l'hélium qui est plus en haut.

Figure 6.3 : Dessin d'Anne montrant une répartition homogène du gaz dans la situation du ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer que l'on chauffe)

À partir des dessins des figures 6.2 et 6.3, nous reconstruisons deux idées différentes : (1) le gaz se répartit de façon homogène (ballon de foot S, pompe sans action S, pompe avec action S, 4 ballons S, chauffe ballon S), (2) l'hélium se répartit en haut (4 ballons S). Les différentes représentations du gaz montrent qu'Anne attribue un comportement particulier à l'hélium, qui se traduit par une répartition différente des autres gaz.

Parmi l'ensemble des élèves de la classe, on trouve que la majorité représente la répartition des gaz comme Anne, c'est-à-dire que  :

-le gaz est réparti de manière homogène pour 50 % des dessins de l'air dans le ballon de foot, pour 46 % des dessins du ballon de baudruche et pour 70 % de ceux qui représentent l'air dans la pompe à vélo.

-l'hélium est réparti en haut pour 36 % des dessins d'élèves, ce qui représente quand même la majorité, car, pour cette question, plus de 30 % des élèves n'ont pas répondu.

En résumé, Anne fait partie de la majorité des élèves qui représentent les gaz comme étant répartis de manière homogène, sauf pour l'hélium qui se répartit en haut.

1.1.1.5. Action du gaz

Pour cet aspect du gaz, nous proposons de présenter, dans un premier temps, l'analyse des réponses d'Anne concernant la direction de l'action du gaz, puis dans un second temps la description de l'action du gaz.

Direction de l'action du gaz

Concernant la direction de l'action de l'air dans la pompe à vélo sur laquelle aucune action n'est produite, Anne explique que l'air agit plus fort sur la paroi B que sur les autres parois "car l'air contenu dans la pompe est présent sur toutes les parois mais elle va exercer une pression plus forte sur la paroi B car c'est elle qui va pousser l'air à sortir". Lorsque l'on appuie sur le piston de la pompe, elle explique que l'air agit plus fort sur la paroi D que sur les autres parois "car l'air est poussé par la paroi B mais la paroi D elle reçoit cette pression". À partir des unités de sens mises en gras, nous reconstruisons l'idée l'air agit plus dans une direction (pompe vélo sans action, pompe vélo avec action).

Le fait qu'Anne utilise cette idée dans la situation où il n'y a pas d'action sur le piston de la pompe à vélo est assez surprenant, elle fait d'ailleurs partie des 10 % d'élèves de la classe avançant ce type d'explications. En revanche, l'utilisation de l'idée l'air agit plus dans une direction, est favorisée par la situation de la pompe à vélo puisque l'on appuie sur le piston. Cette idée est retrouvée dans plus de 66 % des réponses d'élèves de la classe.

Action du gaz

Concernant l'action du gaz, on trouve dans les explications d'Anne l'idée que le gaz agit pour les situations : du ballon de foot, du ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer que l'on chauffe, de la pompe à vélo avec et sans action et des balles de ping-pong. Cependant, ces idées seront différentes en fonction des situations.

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  Pour l'air dans la pompe à vélo, on trouve l'idée que le gaz exerce une pression, comme le montrent les extraits suivants :
  

- "l'air contenu dans la pompe est présente sur toutes les parois mais elle va exercer une pression plus forte sur la paroi B" (pompe à vélo sans action).

- "car l'air est poussé par la paroi B mais la paroi D elle reçoit cette pression" (pompe à vélo lorsque l'on pousse sur le piston).

- "si on lâche le piston, il va être poussé à l'extérieur car la pression de l'air va le faire reculer" (pompe à vélo fermée, lorsque l'on tire sur le piston et qu'on le lâche).

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  Pour la situation du ballon de football qui se dégonfle, on trouve l'explication "le ballon sera moins dur car l'air, le gaz (une partie) sera enlevé". Nous interprétons cette explication par le lien causal entre deux idées (ce lien est décrit par le mot "car" dans l'explication). Dans cette explication, Anne utilise le fait que la quantité diminue (idée gaz part = variation quantité) pour expliquer que le ballon soit moins dur (imposé par l'énoncé). Pour Anne, le gaz joue un rôle, mais elle ne précise pas lequel, c'est pourquoi nous notons cette idée effet du gaz. En résumé cette relation causale entre ces deux idées est notée gaz part = variation quantité  effet gaz (ballon de foot). L'utilisation de la variation de la quantité pour interpréter l'action du gaz dans un ballon est correcte du point de vue de la physique. Cependant, Anne va réutiliser cette idée dans des situations où elle n'est pas valide du point de vue de la physique.
  
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  Dans la situation du ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer que l'on chauffe, Anne donne l'explication suivante "quand on chauffe la bouteille, il y a formation de gaz ce qui va entraîner le ballon a se gonfler". On retrouve la relation de causalité entre la variation de la quantité et l'effet du gaz. Cependant, dans cette explication, la variation de la quantité provient de l'apparition de gaz dans une enceinte fermée (noté apparition gaz = variation quantité). Du point de vue de la physique, il faut qu'il y ait une réaction chimique entre plusieurs gaz pour que du gaz puisse apparaître dans une enceinte fermée. Or cette question n'utilise que de l'air. Anne utilise cette idée hors du domaine de validité de la physique, bien entendu, elle ignore les limites de ce domaine. De plus, dans cette explication, il semble que le gaz joue un rôle dans le fait que le ballon se gonfle, cependant Anne ne précise pas lequel, c'est pourquoi nous notons cette idée effet gaz. L'ensemble de l'explication d'Anne est modélisé par le réseau d'idées chauffe  apparition de gaz = variation quantité  effet gaz (le = signifie que nous considérons que ces deux idées sont équivalentes).
  
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  Concernant la situation des deux balles de ping-pong cabossées (dont l'une a un trou et pas l'autre) jetées dans de l'eau très chaude, Anne écrit que la balle sans trou retrouve sa forme normale "car la formation de gaz va rentrer dans la balle puis va pousser la paroi pour qu'elle redevienne normale". On retrouve le réseau d'idées utilisé pour la situation du ballon de baudruche, mais avec une description de l'action du gaz qui "va pousser sur la paroi" (chauffeapparition de gaz = variation quantité  action du gaz). Cette explication a été barrée et à la place, elle a écrit, la balle reste cabossée "car elle n'a pas de trou dc l'air ne rentrera pas". On retrouve le fait que la quantité doit varier pour que le gaz ait un effet. C'est pourquoi, nous attribuons à cette explication l'idée gaz rentre = variation quantité  effet gaz. Cette hésitation entre les deux réponses, nous montre qu'entre l'explication utilisant l'apparition d'un gaz dans la balle sans trou (chauffeapparition de gaz = variation quantité  action du gaz) et celle où le gaz rentre dans la balle trouée (gaz rentre = variation quantité  effet du gaz), Anne choisit la plus pertinente par rapport à la situation en faisant rentrer du gaz pour faire varier la quantité, c'est-à-dire celle utilisant la relation la plus simple entre les idées (gaz rentre = variation quantité  effet du gaz). De plus, on retrouve cette idée dans la question suivante, à travers l'explication concernant la balle trouée, qui reprend sa forme normale "car le gaz va rentrer dans la balle" (idée est notée gaz rentre= variation quantité  effet du gaz).

  En conclusion, Anne utilise la variation de la quantité pour interpréter la situation du ballon de football qui se dégonfle. Cette explication est utilisée par 40 % des élèves de sa classe. Pour expliquer pourquoi un ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer se gonfle, Anne utilise l'idée que du gaz apparaît dans ce récipient fermé, ce qui correspond à 43 % des réponses des élèves de sa classe. En revanche, très peu d'élèves utilisent, comme Anne, le fait que de l'air rentre dans la balle de ping-pong trouée (16 %).

  
  

1.1.1.6. Lourdeur

Concernant la masse de l'air, Anne répond que le ballon de foot un peu dégonflé sera plus léger, car "le ballon contiendra moins d'air donc il y aura diminution du volume soit diminution du poids". À partir des unités de sens mises en gras, on peut déduire que le gaz pèse. Nous notons cette idée  l'air pèse, le  signifie que cette idée a été déduite des explications et non pas reconstruite directement à partir des productions d'Anne. De plus, son domaine d'application ne concerne que la situation du ballon de foot, car Anne n'a pas répondu à la question concernant le verre de coca. Nous notons cette idée : l'air pèse (ballon de foot (masse)). Anne donne le même type d'explication que 50 % des élèves de sa classe. En résumé, Anne fait partie de la majorité des élèves qui explique que l'air pèse dans la situation du ballon de foot.

1.1.1.7. Résumé

Le tableau 6.1 présente l'ensemble des idées d'Anne et donne pour chacune d'entre elles son domaine d'application. On notera que la mise en relation de plusieurs idées est essentiellement utilisée pour rendre compte de l'action du gaz.

Catégorie	Idée d'Anne avant l'enseignement
Sens des mots	- air = gaz (ballon de foot, balle de ping-pong, quatre ballons) - pression = action de pousser (pompe sans action, pompe avec action, pompe pousse/lâche)
Aspect particulaire	- gaz est composé de molécules (mot air, mot gaz, ballon foot S, pompe S, quatre ballons)
Présence	- gaz est présent partout (mot air, mot gaz, ballon foot S, chauffe ballon S, pompe sans action S+E, pompe avec action S, quatre ballons S) - on chauffe apparition de gaz (chauffe ballon)
Répartition	- gaz se répartit partout (ballon foot S, chauffe ballon S, pompe sans action S+E, pompe avec action S, quatre ballons S) - l'hélium est répartit plus en haut (quatre ballons S)
Action	- gaz agit dans une direction (pompe sans action, pompe avec action) - gaz exerce une pression (pompe sans action, pompe avec action, pompe pousse/lâche) - gaz part = variation quantité  effet gaz (ballon de foot) -gaz rentre =variation quantité  effet gaz (ping-pong 1 & 2) - chauffeapparition de gaz = variation quantité effet gaz (chauffe ballon)
Lourdeur	- gaz pèse (ballon foot (masse) + E)

Tableau 6.1 : Idées d'Anne regroupées selon différents aspects du gaz (le  signifie un lien de causalité simple, le = signifie que nous considérons que deux mots ont la même signification ou que deux idées sont équivalentes. Le domaine d'application d'une idée est signalé par l'abréviation des situations entre parenthèses, si l'abréviation est suivie d'un S cela signifie que la question demande de faire un Schéma et si c'est un E cela signifie que la question demande une Explication écrite en langue naturelle. La plupart des questions étant écrites en langue naturelle, le E n'est signalé que lorsque la même idée est utilisée dans un schéma et dans une explication (noté S+E)).